海洋电场信号程控增益超低噪声采集系统设计*

刘兰军 ，周亚涛 ，陈家林 ，黎 明 ，强嘉晨 ，谢 鹏

(1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2.山东省海洋智能装备技术工程研究中心，山东 青岛 266100)

0 引言

我国海洋面积广阔，海洋油气资源丰富。在海洋油气资源探测过程中，面对愈加复杂的探测对象，传统而单一的三维地震探测逐渐显得力不从心[1]。海洋电磁勘探方法作为海洋地震勘探的重要补充手段[2]，具有高阻异常识别能力，能够判断储层中含油或是含水[3]，在油气资源探测和估算中发挥着越来越重要的作用[4-5]，成为全球各大物探公司发展的新兴业务之一[6]。

海洋电磁采集记录仪作为海洋电磁法勘探的重要技术装备之一，国外经过长足发展，已经进入推广应用阶段。美国Scripps 研究所(SIO)最早开发了海洋电磁采集记录仪，经过更新换代，其海洋电磁采集记录仪已经技术成熟并开展了一系列工程项目应用。挪威EMGS 公司基于SIO 的产品授权开发了商业化海洋电磁采集记录仪。SIO 和EMGS 的海洋电磁采集记录仪的电场本底噪声密度为@1 Hz、磁场本底噪声密度为@1 Hz，电路增益为自动增益或可选固定增益。在国外相关技术装备封锁的背景下[7]，国内也相继开展了海洋电磁勘探的技术研究[8-10]和设备研制[11-13]工作。2012 年以来，中石油东方地球物理公司、中国海洋大学、中国地质大学(北京)等单位联合开展了面向深水油气勘探的海洋可控源电磁(CSEM)方法技术研究和装备研制，研制的海洋电磁采集记录仪的主要技术指标为电场本底噪声密度@1 Hz、磁场本底噪声密度@1 Hz[14]，电路增益为固定增益。

微弱电场信号的超低噪声放大是海洋电磁采集记录仪的核心技术之一。按照场源划分，海洋电磁勘探方法分为大地电磁(MT)方法和CSEM 方法。MT 方法以天然电磁波为场源信号[15]，由于海水的电磁波衰减作用，海底大地电磁波呈低频性，常用于深层海底勘探。CSEM法以人工发射电磁波作为场源信号，可以人为调整场源信号的发射频率和强度，可以用于浅层海底勘探。采用固定增益的海洋电场信号采集方式无法完全满足海底电磁勘探的需求。一方面，MT 方法场源信号弱，需要较大的电路增益，CSEM 方法场源信号较强，需要较小的电路增益，而电磁勘探作业中往往同时存在MT 方法和CSEM 方法，固定增益无法同时兼顾两种勘探作业方式的需求。另一方面，探测目标的深度不同，也存在不同电路增益的需求，探测浅层目标时，需要的电路增益较小，探测深层目标时，需要的电路增益较大。针对不同的电路增益需求，固定增益的解决办法是勘探作业过程中更换前置放大电路或采用双增益前置放大电路。更换电路方式施工现场工作量大，效率低；双增益电路方式导致仪器体积和功耗增加。

针对海洋电磁勘探中微弱动态电场信号的宽测量范围需求，本文提出了一种电场信号程控增益超低噪声采集(Programmable Gain Ultra-Low Noise Acquisition，PGULNA)方法，给出了PGULNA 系统设计实现。给出了PGULNA 电路设计和增益控制方法，对PGULNA 电路进行了噪声分析。开展了实验室环境测试，测试结果表明，所设计的PGULNA 电路可满足海洋电场信号超低噪声采集应用。

1 PGULNA 系统设计

本文提出的海洋电场信号PGULNA 系统设计如图1所示。系统包括低噪声放大采集电路、FPGA 控制逻辑和主控制器。海底电场信号为低频宽带微弱信号，考虑到低噪声运算放大器固有的1/f 噪声问题，低噪声放大采集电路采用斩波放大原理设计，包括调制单元、隔离变压器、初级放大电路、程控增益单元、模拟解调单元、低通滤波电路、次级放大电路和模数转换电路。FPGA 控制逻辑部分包括调制解调逻辑、程控增益逻辑、A/D 采集逻辑。主控制器负责整个系统的任务调度管理。

图1 海洋电场信号PGULNA 系统

电场低噪声放大采集电路中，调制单元由4 个相同的JET 管组成的桥路进行调制；隔离变压器单元为小信号音频变压器模块，实现放大电路的高输入阻抗与电场传感器的低输入阻抗的匹配；考虑到多级放大电路中初级放大器的本底噪声主要决定系统信噪比，故初级放大电路选用调制信号频段性能优良的低噪声运算放大器进行电场信号的超低噪声放大；程控增益单元则是将高精度D/A 转换器内部的电阻网络作为反馈电阻，通过控制D/A 转换器得到不同的电阻值以实现对初级放大后的电场信号的不同增益放大；模拟解调单元则是通过数字开关控制放大器输入端的连接形式，交替构成跟随器和反相器实现信号的模拟解调；低通滤波电路对解调过程产生的毛刺信号进行噪声抑制。次级放大电路是一个由运算放大器构成的电压跟随器，保证放大环节最终为高输出阻抗。最终将通过超低噪声放大的电场信号进行A/D 转换。在电场信号超低噪声放大过程中，FPGA控制逻辑中的调制解调逻辑产生所需的高频方波作为调制信号和解调信号；程控增益逻辑则控制程控增益单元的D/A 转换器内部电阻网络产生不同的电阻值；A/D采集逻辑控制A/D 转换过程，采集电场数字信号。

2 PGULNA 电路设计与噪声分析

2.1 PGULNA 电路设计

将超低噪声集成运算放大器与16 位高精度D/A 转换器相结合，构成程控增益放大单元如图2 所示。该单元中D/A 转换器的引脚RFB 与OUT 之间接有固定阻值7 kΩ 的电阻Rpg，引 脚VREF 与OUT 的内部是T 型R-2R电阻网络Rx，通过对D/A 转换器的内部寄存器配置数字控制量n，其内部电阻网络Rx具有不同的电阻值。将D/A 转换器内部电阻网络Rx作为运算放大器的反馈电阻，实现数字可控增益放大。

根据D/A 转换器的工作原理，内部电阻网络电阻Rx与数字控制量n 的关系为Rx=(216/n)×7k，以D/A 转换器引脚RFB 与OUT 之间的7 kΩ 电阻作为输入端电阻Rpg，因此，图2 所示的程控增益放大单元的放大倍数Gpg为：

图2 程控增益放大单元

PGULNA 设计的程控增益单元放大倍数为8 挡：1、2、4、8、16、32、64、128。

由于D/A 中数字控制量n 的取值为1～65535 之间的某一整数，为了得到准确的放大倍数Gpg，需要对放大倍数Gpg与数字控制量n 之间的对应关系进行测量标定。

2.2 PGULNA 电路噪声分析

PGULNA 电路的原理图如图3 所示。图中调制单元等效为开关S0与电阻Rm串联；T1为隔离变压器；初级放大，C0与R1构成低通滤波器，G1为低噪声运放，Rf1与Rf2为反馈电阻，R2为运放输入端电阻；程控增益单元以运放G2为核心，D/A 内部电阻网络Rx为反馈电阻，Rpg为运放输入端电阻；解调单元，以运放G3为核心，通过等效电子开关S1控制输入端的连接形式，交替构成跟随器和反相器，R3为运放输入端电阻，R4与R5为反馈电阻；低通滤波，以R6与C1、R7与C2构成二阶低通滤波器；次级放大，运放G4构成电压跟随器；次级放大的输出信号送入A/D 转换。

图3 PGULNA 电路原理图

上述PGULNA 电路的本底噪声主要包括电阻热噪声、放大器电路噪声和电阻接触噪声等，电阻接触噪声与电阻材料工艺相关，理论计算时暂不考虑。

电阻热噪声的计算公式为：

式中，k 为玻尔兹曼常量(1.38×10-23J/K)；T 为绝对温度(一般取T=300 K（27 ℃）)，R 为电阻值(Ω)，B 为带宽(Hz)。

电路噪声分析时，式(2)中的带宽B 为等效噪声带宽Bw：

式中，fc为通道上限截止频率，本文设计的电场信号的PGULNA 电路的上限截止频率为100 Hz，fc=100 Hz；w 为噪声带宽系数，取w=1.57。可得，等效噪声带宽Bw=157 Hz。于是根据式(2)的电阻热噪声计算公式，可得：

放大器电路的噪声主要包括输入端电阻热噪声、反馈电阻产生的热噪声、运放的输入噪声电压以及运放输入噪声电流流过放大器输入端电阻和反馈电阻产生的噪声。

PGULNA 电路的输入端换算本底噪声密度e 的计算公式为：

其中，v 为噪声电压幅值，Bw为等效带宽(取Bw=157 Hz)，G 为电路单元对应输入端的增益放大倍数。

设计的PGULNA 电路的各单元的本底噪声分析计算如下所述。

调制单元，桥式开关电路单个场效应管的导通电阻为3 Ω，因此，调制单元可以等效为阻值为6 Ω 的电阻Rm，对应的电阻热噪声为vm。

初级放大，低通滤波器部分，由于有效电场信号频段在低通滤波器通频带内，电容C0断路，因此电阻R1相当于未接入电路，其电阻热噪声为0。

初级放大，放大器G1部分，输入端电阻R2=10 Ω，其电阻热噪声为v2；反馈电阻Rf1=Rf2，所以Rf1||Rf2≈Rf1=10 Ω，其电阻热噪声为vf；运算放大器的输入噪声电压vne1可以通过查阅数据手册的输入电压噪声密度en计算得到，采用的运算放大器的输入电压噪声密度为en1=，从而输入噪声电压；输入电流噪声密度为，调制单元等效电阻Rm，放大器输入端电阻R2，反馈电阻Rf1||Rf2，以上电阻阻值均较小，输入噪声电流流过上述电阻产生的本底噪声可忽略不计。

程控增益，放大器G2输入端电阻Rpg=7 kΩ，其电阻热噪声为vpg；程控增益放大倍数为Gpg；反馈电阻Rx=7GpgkΩ，其电阻热噪声为vx；采用的运算放大器与初级放大器相同，由于经过隔离变压器放大和初级放大器放大后，程控增益单元对应输入端的增益放大倍数为100 倍，从而输入噪声电压、输入噪声电流流过Rm、R2、Rf1||Rf2产生的本底噪声可忽略不计。输入噪声电流流过Rpg||Rx

解调单元，放大器G3输入端电阻R3=56.2 kΩ，其电阻热噪声为v3；反馈电阻R4||R5=28.1 kΩ，其电阻热噪声为v4。放大器G3的输入电压噪声密度为，输入噪声电压vne3=51.73(nVrms)；输入电流噪声密度为，由于in3较小，且解调单元对应输入端的增益放大倍数为100Gpg，因此输入噪声电流产生的本底噪声可忽略不计。

低通滤波，R6=15.6 kΩ，其电阻热噪声为v5；R7=233 kΩ，其电阻热噪声为v6。

次级放大，无电阻热噪声。采用的运算放大器G4与解调单元相同，输入噪声电压vne4、输入电流噪声密度in4较小，且对应输入端的增益放大倍数较大，所以输入电流噪声产生的本底噪声可忽略不计。

A/D 转换电路，A/D 芯片满量程输入范围为±2.2 V，采样率500 kS/s 时信噪比为127 dB。本底噪声vAD为vAD=4.4/(1×10127/20)=1 965.4(nVrms)。

根据式(5)，计算得到的各电路单元对应的输入端换算本底噪声密度e 如表1 所示。

表1 中的各噪声相互独立无关，各电路单元输入换算本底噪声密度平方和的平方根就是输入端换算本底噪声密度e 的幅值。分析可知，当程控增益单元放大倍数为Gpg=1 时，e 取最大值。同时考虑到噪声密度值小于最大值1/5 的成分影响很小，设计的PGULNA 电路的输入端换算本底噪声密度e 约为：

表1 各电路单元噪声分析结果

3 测试结果分析

为了测试PGULNA 系统的性能，搭建了如图4 所示的实验室测试系统，主要测试了PGULNA 系统的电场通道本底噪声、电场通道程控增益等性能。测试系统包括PGULNA 系统、信号发生器、PC 配置监控软件、PC 功率密度谱分析软件。其中信号源用于程控增益测试过程中的输入信号幅值调整；PC 配置监控软件用于系统参数配置、实时波形监控；PC 功率密度谱分析软件用于系统采集数据的功率密度谱分析。

图4 实验室测试系统

3.1 本底噪声测试

PGULNA 系统具有3 个电场放大采集通道。在电场通道本底噪声测试中，PGULNA 系统采用锂电池供电，将各个电场通道的信号输入端分别短接，设置系统采样率125 Hz，程控增益单元放大倍数Gpg=1，采样时长20 min。最终，利用PC 功率密度谱分析软件对采集到的数据进行功率密度谱分析，得到如图5 所示的通道本底噪声分析结果。

图5 本底噪声测试结果

从通道本底噪声分析结果可以看出，3 个电场通道的本底噪声基本一致，仪器通道一致性良好。在1 Hz 频点处，电场通道本底噪声密度约为@1 Hz，与理论分析计算结果位于同一个数量级，说明计算结果的合理性。测试结果高于计算结果，说明存在电阻接触噪声等其他噪声源影响。

3.2 程控增益测试

程控增益测试采用在线监控方式进行信号和增益调整。使用信号发生器产生正弦波信号作为电场输入信号。为了避免直接产生微弱信号失真，测试时将幅值准确的正弦波信号通过1 000 倍的衰减线衰减至合适幅值接入电场通道；使用PC 配置监控软件在信号幅值调整过程中对增益放大倍数进行配置调整，并对采集到的信号波形进行实时监控。

调整程控增益放大倍数从128、64、32、16、8、4、2、1逐渐减小，电场输出信号幅值随之改变。电场通道程控增益放大倍数测试结果分别如表2、图6 所示，测试结果表明，PGULNA 系统可以满足电场信号大动态范围采集需求。

图6 程控增益测试结果

表2 电场通道程控增益放大倍数测试结果

4 结论

海洋电场信号的超低噪声放大是海洋电磁勘探的核心技术之一。本文针对海洋电磁勘探中电场信号超低噪声放大的程控增益需求，提出了一种微弱电场信号程控增益超低噪声采集方法，给出了系统设计实现。系统主控采用“低功耗ARM+FPGA”设计，ARM 实现系统任务的管理决策，FPGA 负责多个采集通道的同步采集控制。针对电场信号低频微弱的特点，电场信号放大采集电路采用低噪声斩波放大原理设计。程控增益单元采用以低噪声运算放大器为核心、D/A 转换器内部电阻网络作为反馈电阻的设计方案，通过数字控制量控制D/A 内部电阻网络阻值实现系统增益变化。开展了实验室环境测试，测试结果表明，电场通道之间一致性良好，本底噪声约为@1 Hz，程控增益单元放大倍数为1～128 倍8 挡可调，能够满足海洋电磁勘探中电场信号程控增益超低噪声采集需求。